В данной работе определены закономерности формирования винтового электронного потока высокого качества в гиротронах и возможности повышения на этой основе их эффективности. Разработан новый метод определения скоростных характеристик электронов в потоке гиротрона и проведено проектирование диагностической секции на основе этого метода для экспериментального гиротрона СПбПУ с частотой генерации 74.2 ГГц и мощностью излучения 100 кВт. Предложен новый метод эффективной пространственной сепарации электронов в отработанном потоке гиротронов, основанный на их радиальном дрейфе в скрещенных продольном электрическом и азимутальном магнитном полях. Представлены результаты проектирования коллекторных систем многоступенчатой рекуперации, основанных на предложенном методе сепарации, для гиротрона СПбПУ средней мощности и прототипа гиротрона высокой мощности, предназначенного для нагрева плазмы в установке управляемого термоядерного синтеза Demonstration Power Station (DEMO). Разработаны и экспериментально обоснованы методы снижения скоростного разброса и подавления паразитных низкочастотных колебаний пространственного заряда при регулировании распределений электрического и магнитного полей в области формирования электронного потока, что позволило повысить КПД гиротрона СПбПУ до 46 % в режиме без рекуперации и до 60 % при одноступенчатой рекуперации остаточной энергии электронов.